Трансформаторы_тепла_2013_ЭГиТ Володин

Диаграмма энтальпия-давление h-lgp для R12

tк = 112.00 °C, pк = 41.57600 бар, vк = 0.00179 м3/кг

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Реальный парокомпрессорный цикл

Главным компонентом теплового насоса является компрессор, который

должен сжимать только сухой пар и рабочее тело до входа в компрессор должно быть перегрето. Тогда рабочее тело поступает в компрессор в состоянии 5' вместо 5. Это достигается ценой некоторого увеличения компрессора. Проблема также состоит в повышении температуры на

выходе из компрессора.

Из-за теплообмена между рабочим телом и

компрессором и необратимости течения внутри компрессора повышение энтальпии в нем больше (точка 1′), чем в идеализированном цикле (точка 1), что также повышает выходную температуру. Повышение энтальпии

оценивается изоэнтропным КПД компрессора ηs=W/W′, где W‘ повышение энтальпии в

реальном компрессоре, а W в идеальном при изоэнтропном сжатии (ηs ≈ 70%).

47

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Реальный парокомпрессорный цикл

48

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Показатели эффективности компрессора

Существуют еще два показателя эффективности компрессора: механический и объемный КПД. Механический КПД показывает, какая доля работы, подведенной к валу компрессора, отдана рабочему телу:

ηм = NhG .

Обычно он равен 95%. ηs и ηм одинаково важны, так как они влияют на ε и ϕ реального теплового насоса.

Есть еще объемный КПД, который влияет не на ε и ϕ, а на капитало- вложения в оборудование, поскольку определяет размеры компрессора:

ηv = GvV5′ .

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Парокомпрессорный цикл с регенератором

Любые потери в трубопроводах между конденсатором и дросселем вызывают некоторое испарение, что ухудшает работу дросселя. Желательно ввести переохлаждение до точки 3. Переохлаждение также снижает долю пара, поступающего в испаритель, но чтобы осуществить переохлаждение, нужно иметь теплоноситель с достаточно низкой

температурой.

Необходимость перегрева рабочего тела после испарителя приводит к удобному решению при использовании регенератора: тепло, отводимое от

конденсатора при переохлаждении с температурой Тг, используется для перегрева

засасываемого в компрессор пара с температурой Tх путем установки промежуточного теплообменника – регенератора. Регенератор не влияет непосредственно на ϕ. Однако косвенно его повышает.

50

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Схема и процессы теплонасосной установки

Принципиальная схема ТНУ и цикл в Т,s-диаграмме: Д — двигатель; ОК — охладитель конденсата; ДР — дроссель; К — конденсатор; И — испаритель; ПП — перегреватель пара рабочего тела; КМ — компрессор

51

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Выбор температур кипения и конденсации

Одним из отличий действительных циклов является наличие конечной разности температур в процессах теплообмена рабочего вещества с внешними источниками, что влияет на температуры кипения Тх и конденсации Тг хладагента. Рекомендуемые разности температур:

Температура воды или воздуха при входе в конденсатор задается в зависимости от географического расположения холодильной машины.

Приведенные перепады температур являются ориентировочными и зависят от рабочего вещества, типа теплообменных аппаратов и некоторых других факторов.

52

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Расчет коэффициента преобразования идеального теплового насоса

Вода заключена в большой бак при температуре Тг = 65°С и после очистки сбрасывается при температуре Тх = 35° С. Назначение теплового насоса состоит в использования его для поддержания температуры водяного бака. Максимальный ϕ по Карно

На практике нужно выбрать температуры испарения и конденсации. В качестве

типичных значений можно принять Тг = 75°С и Тх = 15ОС. С учетом теплообменников ϕКТ = 5,8.

Примем в качестве рабочего тела хладагент R12. Его р –h диаграмма показана на рисунке.

53

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Расчет действительного коэффициента преобразования

Примем необходимый перегрев пара на входе компрессора 20° С и обозначим его состояние точкой А. Она находится путем продолжения линии постоянного давления, соответствующей испарению при 15°С (0,49 МПа) до пересечения с изотермой 35° С, где hА = 271 кДж/кг. Проведя по изоэнтропе линию до пересечения с изобарой 2,1 МПа, соответствующей температуре конденсации 75° С, получаем условия на выходе в точке В с hВ = 300 кДж/кг. Действительные условия на выходе из компрессора в точке С рассчитываются с помощью изоэнтропного КПД η = 0,7:

ηs = (hВ − hA )(hC − hА ).

Откуда hС = 312 кДж/кг.

На выходе из конденсатора в точке D hD = 177 кДж/кг. Для реального цикла

ϕР = (hС − hD )(hC − hА )= 3,29.

С учетом механического КПД компрессора ηм=0,95, действительный

ϕ = ϕРηм = 3,13.

54

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Эффективность использования первичной энергии

Коэффициент первичной энергии:

Если для привода теплового насоса используется двигатель (тепловой, электрический) с КПД использованию первичной энергии топлива ηТ, то

Спэ = ηTϕ,

Например, в качестве привода компрессора с ϕ = 3,1 используется

электродвигатель с КПД производства электрической энергии на ТЭС на основе сжигания топлива ηТ = 0,4. Следовательно

Спэ = 3,1·0,4 = 1,24.

Тепловой насос позволяет получить на 24% больше тепла, чем прямое сжигание топлива.

55

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Двухступенчатое сжатие и дросселирование

Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением

56

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Двухступенчатое сжатие и дросселирование

Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины с однократным дросселированием, змеевиковым промежуточным сосудом и

неполным промежуточным охлаждением

57

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Двухступенчатое сжатие и дросселирование

Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением: I, III – компрессора; II – промежуточный теплообменник; IV – конденсатор; V, VII – дроссели; VI – промежуточный сосуд; VIII – испаритель

58

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Двухступенчатое сжатие и дросселирование

59

Газовые трансформаторы тепла

Газовый трансформатор тепла

Схема и закрытый цикл Брайтона газового трансформатора тепла с детандером

ГТТ состоит из следующих элементов: компрессор А, промежуточный холодильник Б, детандер Б, теплообменный аппарат Г и двигатель Д.

Теоретический цикл с внутренне обратимыми процессами 1-2-3-4.

60

Газовые трансформаторы тепла

Теоретический цикл ГТТ с детандером

Площадь под процессом 4-1 эквивалентна удельной холодопроизводитель- ности цикла:

q0 = h1 − h4 = cp (T1 −T4 ),

а площадь под процессом 2-3 эквивалентна теплопроизводительности, отводимой от газа в промежуточном холодильнике:

q = h2 − h3 = cp (T2 −T3 ).

Работа, затрачиваемая в цикле:

l = q − q0 = (h2 − h1 )− (h3 − h4 )= lк − lд , где lк > lд .

Массовый расход газа:

G = Q0 q0 .

Холодильный коэффициент:

ε = q0 l = q0 (q − q0 )= T1 (T2 −T1 ).

Коэффициент преобразования:

ϕ = ql = q(q − q0 )= T2 (T2 −T1 ).

61

Газовые трансформаторы тепла

Регенеративная воздушная холодильная машина

Схема и цикл воздушной холодильной машины с детандером:

А– компрессор; Б – охладитель; В – детандер;

Г– холодильная камера; Д – двигатель; Е – регенератор

62

Газовые трансформаторы тепла

Газовый трансформатор тепла с регенерацией

Схема газовой холодильной установки с регенерацией и процесс в Т, s- диаграмме:

I — компрессор; II — охладитель;

III — регенеративный теплообменник; IV — детандер; V — холодильная камера; 1 и 2 и 1-2' — реальный и идеальный процессы в компрессоре; 4-5 и 4-5' — реальный и идеальный процессы в детандере; 2—3 — охлаждение газа в охладителе; 3-4 и 6-1 — охлаждение и нагрев газа в

регенеративном теплообменнике

63